COSMOS-z3.1-A toont hoe de grootste structuren in het heelal ontstonden

COSMOS-z3.1-A is een uitzonderlijk vroege blik op de vorming van de grootste structuren in het heelal. Het gaat niet om één gewoon sterrenstelsel of één volgroeide cluster, maar om een proto-supercluster: de jonge voorloper van een toekomstig systeem van meerdere enorme clusters van sterrenstelsels.

De structuur is gezien in een tijd waarin het heelal pas ongeveer 2,1 miljard jaar oud was. Astronomen schatten haar huidige massa op ongeveer 5.000 keer die van de Melkweg. Op basis van de gemeten overdichtheid en modellen voor de groei van kosmische structuren kan COSMOS-z3.1-A uiteindelijk uitgroeien tot een systeem dat zwaarder is dan de Comacluster, een van de grootste bekende nabije clusters. Die toekomstige massa is nadrukkelijk een modelafhankelijke schatting, geen rechtstreekse meting. 15

Geen nette bol, maar een knooppunt in het kosmische web

COSMOS-z3.1-A geldt als de verst bekende voorloper van een supercluster van sterrenstelsels. Dat maakt het nog zeldzamer dan een protocluster: een proto-supercluster is in feite de kiem van een toekomstig ‘cluster van clusters’. 7

De 3D-kaart laat geen gladde, afgeronde en uitgerijpte structuur zien. In plaats daarvan bestaat COSMOS-z3.1-A uit meerdere klonterige, dichte kernen in een extreem dicht gebied. Uitlopers die op filamenten lijken, verbinden die kernen met hun omgeving. Zulke filamenten zijn onderdeel van het kosmische web: het grootschalige netwerk waarlangs materie en sterrenstelsels naar dichte knooppunten stromen. 14

De onderzoekers schatten dat COSMOS-z3.1-A en de verwante structuur COSMOS-z3.1-C tegen roodverschuiving nul — het huidige heelal — een totale massa van minstens 10^15,3 zonsmassa's kunnen bereiken. Daarmee zouden ze de Comacluster overtreffen. 1

Van een vlek aan de hemel naar een 3D-structuur

De vondst begon met de ODIN-survey. Dit programma spoort protoclusters op grote afstanden op met zogeheten Lyman-alfa-emitterende sterrenstelsels als merktekens. ODIN gebruikte smalbandopnamen in het COSMOS-veld, gemaakt met de Dark Energy Camera (DECam), om concentraties van zulke sterrenstelsels bij roodverschuiving 3,1 te vinden. 335

Een opeenhoping op een hemelbeeld is echter nog geen bewijs dat objecten ook werkelijk dicht bij elkaar staan in de ruimte. Daarom verrichtte het team vervolgwaarnemingen met spectrografen: DESI, GMOS op Gemini South en DEIMOS op Keck II. Met de gemeten roodverschuivingen konden de onderzoekers de verdeling van de sterrenstelsels in drie dimensies reconstrueren. Zo werden zowel de compacte kernen als de wijdere omgeving zichtbaar. 135

De aanpak maakt dus meer zichtbaar dan een verzameling zeer verre sterrenstelsels: hij levert een kaart op van een groeiende kosmische omgeving, inclusief de filamentaire verbindingen die de kernen vermoedelijk voeden. 1

Waarom dit past bij groei van klein naar groot

In het gangbare kosmologische beeld ontstaan grote structuren hiërarchisch. Eerst vormen kleinere concentraties materie en groepen sterrenstelsels; vervolgens trekken zij extra materie aan en versmelten zij tot steeds grotere systemen.

COSMOS-z3.1-A past bij dit beeld. De structuur bevat meerdere ontwikkelende componenten binnen een netwerk van filamenten, in plaats van één al gevormde cluster. De waarneming biedt daarmee een zeldzame momentopname van de tussenfase: van kleinere protoclusters naar de reusachtige clustersystemen die we in het nabije heelal zien. 17

Vooral de ligging op kruispunten van filamenten is veelzeggend. Die filamenten kunnen materie en sterrenstelsels naar dichte knopen voeren, waardoor afzonderlijke componenten in de loop van miljarden jaren kunnen samengroeien tot een veel massiever systeem. 14

Wat dit wel en niet zegt over de ‘verborgen sterren’ van JWST

COSMOS-z3.1-A gaat over de groei van grootschalige omgevingen: donkere-materiegebieden, groepen sterrenstelsels, filamenten en protoclusters. Een afzonderlijk resultaat van de James Webb Space Telescope (JWST) gaat juist over de sterrenpopulaties binnen individuele vroege sterrenstelsels.

In die JWST-studie vonden onderzoekers bij negen massieve vroege sterrenstelsels aanwijzingen voor veel meer zwakke sterren met een lage massa dan doorgaans wordt aangenomen. Zulke sterren dragen behoorlijk bij aan de massa, maar leveren weinig licht. Daardoor kunnen eerdere schattingen van de stellaire massa in sommige gevallen drie- tot viermaal te laag zijn geweest; in het meest extreme gemelde geval ging het om bijna een factor vier. 192027

De twee bevindingen vullen elkaar aan, maar lossen elkaars vraagstuk niet op. Een filamentgevoede proto-supercluster kan een omgeving bieden waarin sterrenstelsels snel materie verzamelen. Maar een grote populatie lichte, zwakke sterren verandert vooral de geschatte hoeveelheid stellaire massa in sommige afzonderlijke stelsels. Hoe dichte omgevingen én hun sterrenstelsels zo snel konden groeien in het jonge heelal, blijft dus een belangrijke uitdaging voor modellen. 11722

Volgende stap: meer kandidaten, nog steeds 3D-bevestiging nodig

Het Vera C. Rubin Observatory is begonnen met de Legacy Survey of Space and Time (LSST). Een eerste wetenschappelijke gegevensrelease van de LSST-camera omvatte diepe opnamen van het COSMOS-veld. 3336

Met brede en diepe beelden kan Rubin veel meer kandidaat-overdichtheden op grote afstanden opsporen. Maar spectroscopie blijft onmisbaar: alleen nauwkeurige roodverschuivingen kunnen aantonen of sterrenstelsels werkelijk samen een driedimensionale proto-supercluster vormen, of slechts toevallig dicht naast elkaar lijken te staan op een tweedimensionaal beeld. COSMOS-z3.1-A laat zien hoe krachtig de combinatie van grootschalige beeldvorming en gerichte spectroscopie kan zijn. 13